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大連化物所實(shí)現一氧化碳高效電解制多碳燃料和化學(xué)品

撰稿: 大連化學(xué)物理研究所 發(fā)布時(shí)間:2024-06-04

近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎國家重點(diǎn)實(shí)驗室納米與界面催化研究中心研究員高敦峰、研究員汪國雄、中國科學(xué)院院士包信和等在一氧化碳(CO)電催化轉化方面取得新進(jìn)展,實(shí)現了高活性、高選擇性和高穩定性CO電解制多碳(C2+)燃料和化學(xué)品。

利用煤、天然氣和生物質(zhì)衍生的CO合成乙烯等高值燃料和化學(xué)品是一條重要的非石油路線(xiàn)。費托合成等傳統的CO熱催化轉化路線(xiàn)需要通過(guò)水氣變換反應提高H2/CO比例,排放出大量CO2。此外,在合成氣轉化反應中通常有20%至50%的CO轉化為CO2和甲烷,進(jìn)一步增加了碳排放。因此,亟需發(fā)展更加綠色、可持續的CO催化轉化新路線(xiàn)。

大連化物所實(shí)現一氧化碳高效電解制多碳燃料和化學(xué)品

可再生能源驅動(dòng)的電催化過(guò)程以水作為氫源,可在溫和條件下實(shí)現CO電解轉化,同時(shí)利用還原電極電勢條件在根本上阻止了CO分子向CO2轉化的副反應路徑。本工作中,團隊利用具有高密度晶界的銅催化劑和堿性膜電極電解器/電堆,實(shí)現了高效CO電解制C2+產(chǎn)物。在總電流密度為5A/cm2時(shí),C2+產(chǎn)物法拉第效率達到87%,無(wú)CO2和甲烷等C1產(chǎn)物生成,C2+產(chǎn)物收率達到85%。該過(guò)程電解性能高,與熱催化合成氣轉化相比具有更高的CO轉化速率和C2+收率。工況拉曼光譜和密度泛函理論計算結果表明,銅納米顆粒催化劑上的豐富晶界位點(diǎn)促進(jìn)了碳-碳偶聯(lián)。團隊進(jìn)一步組裝了5節100cm2的堿性膜電堆,其電解功率最高達到5.8kW,在總電流為400A時(shí),C2+生成速率為118.9mmol/min,乙烯生成速率達到1.2L/min。該研究表明CO電解是CO催化轉化制高值C2+燃料和化學(xué)品的一條實(shí)用路線(xiàn)。

相關(guān)研究成果以“CO electrolysis to multicarbon products over grain boundary-rich Cu nanoparticles in membrane electrode assembly electrolyzers”為題,于近日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該工作的共同第一作者是大連化物所已畢業(yè)博士研究生李合肥、博士后魏鵬飛和助理研究員劉天夫。上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計劃、大連化物所創(chuàng )新基金等項目的支持。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-49095-2